新型水电气综合计费系统的设计
摘 要：本文介绍一种新型水电气综合计费系统，该系统通过对已有的磁电式电表，机械计数式水、气表进行数字化改装，利用AT89C51单片机实行智能化检测，并通过无线、有线相结合网络实现远程抄表、缴费和管理，避免旧宅数字化改造中重新组网布线的困难，具有较大的经济和现实意义。
关键词：单片机；数字化；MAX7219；远程抄表
引言
目前，大多数居民所使用的电表是磁电式，水表和气表是机械计数式，管理部门需逐户地抄表，既不方便管理部门的管理，用户缴费也很不方便。近年出现的IC卡式水、电、气表和远程抄表系统，应用于新建住宅小区方便了居民的生活。但对居住旧宅的居民要使用这些新型表，就必须对原有的表进行更新、改造，重新组网布线，耗费较大，给用户带来不必要的开支和不便。
基于上述原因，设计一种通过对已有的水、电、气表进行简单的数字化改装，利用单片机自动检测用户用水、用电和用气的信息，并通过无线网络实现远程抄表、缴费和管理，装于用户终端的水、电、气综合计费器具有较大的经济和现实意义。
一、新型水电气综合计费系统的组成
新型水电气综合计费系统组成框图如图1所示，由终端、基站和中央控制PC组成。
计费器与基站采用无线通讯方式，可以避免长距离室内外布线及短路、断线等隐患。每栋楼或每个住宅小区建立一个基站，基站采用抗干扰能力较强的工业控制单片机起到用户终端与中央控制PC的中继作用。由于用户终端与基站距离较近，因此可以采用高集成度的专用短距离、低功耗的无线数据传输芯片nRf401。基站与中央控制PC采用现有的公用信息网进行有线通讯，不仅可以节约投资成本，而且可以与已有的远程抄表系统相互兼容。
二、综合计费器终端组成框图及概述
计费器终端组成框图如图2所示，由用电量数据采集电路、用水量数据采集电路、用气量数据采集电路、用电控制电路、用水控制电路、用气控制电路、单片机电路、数据显示电路、通讯接口电路组成。用电、用水、用气量数据采集电路将采集的数据传送给单片机。单片机对数据进行统计、处理后，将数据送至数据显示电路显示，并通过通讯接口电路通过网络将用户的综合信息经过基站中转发送至中央控制PC，中央控制PC通过网络经基站中转向计费器的单片机下达控制命令，由单片机向用电、水、气控制电路发出控制信号维持或切断用户的电源、水源、气源。
三、综合计费器终端各组成部分工作原理
根据上述系统框图，设计、调试了每个单元具体电路，现分别简述如下。
1. 水、电、气数据采集、控制电路
图3 水电气数据采集、控制原理图
图3所示为水、电、气数据采集、控制电路中的一路。由于老式电表是磁电式，水表和气表是机械计数式，因此，如何对用量进行采集、转换、计算是对老式水、电、气表进行数字化改造最重要的环节。针对各表的内部构造及实际使用情况，采取不同的采集、转换方法。
用电量数据采集电路是由安装在电度表铝转盘上下相对处的红外发射、接收组件来完成的。电度表铝转盘上打有一个f0.5mm小孔，电表铝转盘每转动一次，红外接收管接收到发射管的一次光照射，其电阻值相应发生一次变化。红外接收管阻值的变化引起三极管基极电压的跳变，经三极管的放大，作为用户用电量的计数脉冲送单片计算机外部中断请求口INT0进行计数处理。
水表和气表的情况较为特殊，对密封性要求较高，而且由于气表内部有易燃性气体通过，即使有微量的电火花都会产生灾难性的后果。鉴于这种情况，用水、用气量的数据采集利用了红外光的反射原理进行。其电路由安装在水、气表玻璃窗外部，正对计数器最末一位转轮的反射式红外发射、接收组件组成。
计数器一般由五位组成,其中每一位均是一个带有0～9数字的转轮,低位转轮转一圈（其数字由0到9），高一位的转轮转过一字。现把最低位转轮中的0～9数字用黑白相间的纸带取代，并在最后一位的转轮的正前方安置红外发射接收装置。当最低位转轮的白色段转到正面时，红外发射器发出的红外光被白色带反射后由红外接收管接收，红外接收管接收到红外光照射，电阻阻值较小；随着转轮的转动，当黑色段转到玻璃窗正面时，红外发射器发出的红外光被黑色带吸收，红外接收管接收不到红外光，电阻阻值较大。当最低位转轮连续转动时,红外接收管上交替出现“收到红外光” 和“未收到红外线”两种状态，通过光电转换把用水量和用气量转换成计算机可以识别的脉冲信号。水表、气表计数器加装红外发射接收组件示意图如图4。
采集到的用水量和用气量电信号，其放大处理工作过程与用电量采集电路相同。
综合计费器的电、水、气控制电路由继电器J和MOS场效应管T2组成（如图3）。MOS场效应管的栅极与单片机的一个I/O口相接，MOS场效应管的源极控制继电器的通断，继电器装于用户的电源、水源、气源的入口处，用于控制用户的用电、用水和用气。当用户不能及时缴费时，缴费中心通过网络向综合计费器下达命令，综合计费器接收到此命令后，单片机I/O口输出高电平，使MOS场效应管饱和导通，驱动继电器动作，使电源继电器工作，切断用户电源；或使水源和气源电磁阀工作，切断用户的水源和气源。用户缴费后，缴费中心向用户计费器下达撤除命令，单片机将I/O口的高电平撤消，用户的电源、水源和气源恢复正常供应。
2．数据显示电路
为了方便用户及时掌握水、电、气使用情况，终端使用三个发光二极管及四位七段数码管动态显示水、电、气的使用度(吨数、立方米数)数及欠费状态，数据显示电路原理图如图5所示。
串行译码扫描驱动集成电路采用美国MAXIM公司生产串行输入／输出共阴极显示驱动器MAXIM7219,可直接驱动最多8位7段数字数码显示管或64个LED和条形图形显示器，且与微处理器的接口非常简单，仅用3个引脚与处理器相应端连接，即可实现最高10MHZ串行接口。MAXIM7219位选方式很有特色，允许用户选择多种译码方式译码选位，而且每个显示位都能个别寻址刷新，而且不需要重写其他显示位，使编程十分简单、灵活。另外，它具有数字和模拟亮度控制以及与MOTOROLA SPI，QSPI及NATIONALMICROWIRE串行口相兼容等特点。
图5 数据显示电路原理图
7219的串行输入（DIN）、片选（LOAD）、时钟端（CLK）与单片计算机I/O口中的三位（P1.5、P1.4、P1.3）相接，单片机将用户用水量、用电量和用气量转换为串行信息，经MAXIM7219译码、驱动后，以并行的方式送至三个发光二极管和四位数码管进行显示。其中三个发光二极管的作用是指示当前显示的数字是用电量、用水量或用气量。用户正常使用时，发光二极管和数码管正常显示；用户欠费时，发光二极管和数码管闪烁显示。
四、综合计费器终端软件设计
综合计费器终端的软件主要由主控程序、计数中断程序、显示驱动程序、通信监控程序等部分组成。
主控程序控制整个程序的流程，主要完成单片机的初始化、计数以及工作方式的设置、中断方式的设置及通讯端口、波特率的设置等。初始化包括T0计数器、MAXIM7219的显示RAM、AT89C51的中断系统及内部RAM等。显示驱动程序控制计费器终端循环显示用户水、电、气的使用状况。AT89C51的各中断中， INT0、INT1和T0与水、电、气的计数脉冲相连，当三表中最低位变化时，进入计数中断程序进行用量计算。为了避免单片机使用过于频繁，中央控制器与计费器终端通讯采用中断通讯方式，计费器终端与中央控制器通讯采用查询方式。
